DE3912280A1

DE3912280A1 - Verfahren zum herstellen eines sensors zum bestimmen von druckkraeften

Info

Publication number: DE3912280A1
Application number: DE3912280A
Authority: DE
Inventors: Herbert Zimmermann; Werner Dr Dipl Phys Gruenwald; Hans Dipl Phys Hecht; Martin Dipl Ing Mast
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1989-04-14
Publication date: 1990-10-18
Also published as: WO1990013011A1; ES2047322T3; EP0419611B1; DE59003448D1; EP0419611A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Bestimmen von Druckkräften entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruches sowie einen entsprechenden Sensor.

Ein derartiger Drucksensor ist beispielsweise aus der Europäischen Patentanmeldung 02 14 468 bekannt. Dort besteht der Drucksensor aus einem plättchenförmigen Grundkörper aus einem Stahlsubstrat, an dessen der dem Meßdruck abge wandten Seite eine Membran aus Glaskeramik angebracht ist. Diese dehnt sich unter Druckeinwirkung. Das Maß der Dehnung wird durch an der Oberseite der Membran angeordnete Dehnmeßstreifen erfaßt.

Diese Anordnung hat den Nachteil, daß zum Aufbringen der Membran ein zusätzlicher Arbeitsschritt notwendig wird. Ferner verhalten sich der Stahlgrundkörper und die Glas membran bei Temperaturschwankungen sehr unterschiedlich, so daß große Temperaturfehler korrigiert werden müssen. Beim Auftreten sehr hoher Kräfte ist die Übertragung auf Membrandehnungen nicht sinnvoll. Dort werden die Dickschichtwiderstände direkt den wirkenden Kräften ausgesetzt.

Allerdings kann auf diese Weise nur ein bestimmter Kraft bereich abgedeckt werden, in dem durch die Pressung der Dickschichtwiderstände genügend große Signale entstehen.

Vorteile der Erfindung

Durch ein Verfahren der in Anspruch 1 genannten Art wird ein Drucksensor geschaffen, bei dem die Einleitung der Druckkraft zum Messen verbessert ist. Der beschriebene Sensoraufbau ermöglicht eine kostengünstige Herstellung robuster Sensoren, die in einem großen Temperaturbereich eingesetzt werden können. Vorteilhaft sind insbesondere folgende Punkte:

Wird ein metallisches Sensorsubstrat verwendet, so ist vor allem die Stabilität des gesamten Drucksensors hervor zuheben. Er ist auch bei starker mechanischer Beanspruchung verwendbar.

Des weiteren sind sehr einfache Gehäusekonzepte realisier bar, so daß die Montagekosten gering gehalten werden können. Die Dickschichttechnik, mit der die Widerstände aufgebracht werden, ist eine Technik zur Realisierung sehr zuverlässi ger Sensorelemente und Auswertschaltungen. Sie kann in einem großen Temperaturbereich eingesetzt werden (-50°C bis 200°C) und weist eine gute Langzeitstabilität auf. Der Aufbau von Sensorelement und Auswertschaltung ist in einer einheitlichen Technologie realisierbar.

Aufwendige Verbindungen zwischen Sensorelement und Auswert hybrid entfallen. Die Dickschichttechnik ist geeignet für die vollautomatische Herstellung in sehr großen Stück zahlen. Der Sensorhybrid kann sehr kostengünstig hergestellt werden.

Auf dem Sensorsubstrat können mit relativ geringem Aufwand unterschiedliche Auswertschaltungen für spezielle Anwendun gen (z.B. Sensor-Aktuatoren) realisiert werden. Das Sensor substrat selbst wird sehr flexibel unterschiedlichen Gehäu seformen und Anwendungsvarianten angepaßt.

Wesentlich ist u. a., daß der Kraftsensor auch in seiner Oberfläche einer druckbeaufschlagenden Fläche angeglichen wird. Hierzu ist es in vielen Fällen notwendig, daß die Oberfläche des Sensors planparallel zur Unterfläche des Substrates verläuft. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daran gedacht, lediglich die Oberfläche der Dickschichtwiderstände abzuschleifen. Verbessert wird dies jedoch dadurch, daß die Dickschichtwiderstände in ein Isolierglas eingebettet und dieses dann plan geschliffen wird, wobei gleichzeitig auch die Oberfläche des Dick schichtwiderstandes plan geschliffen ist oder bei entspre chender Auffütterung nur das Isolierglas plan geschliffen wird.

Des weiteren ist daran gedacht, die Dickschichtwiderstände in einer Gießmasse, bevorzugt aus Kunststoff, Epoxidharz, Lack od. dgl. einzubetten und deren Oberfläche planparallel zu schleifen.

Besonders bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem die Dick schichtwiderstände in ein Dickschichtglas eingebettet werden, auf welches dann eine metallische Gegenscheibe aufgeglast und diese abgeschliffen wird.

Auf dem Drucksensor selbst sollen die Dickschichtwider stände in bestimmten Konfigurationen angeordnet sein. Als Verbindung der Widerstände bietet sich eine Brücken schaltung an. Der in der Regel erforderliche Offset-Abgleich der Widerstände wird über ein weiteres Widerstandsnetzwerk durchgeführt. Ebenfalls ein Widerstandsnetzwerk nimmt eine Temperaturkompensation der Widerstände vor.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Kraftsensor in Gebrauchs lage;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbei spiel eines Kraftsensors in Gebrauchslage;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Kraftsensor mit aufgebau ten Dickschichtwiderständen und Leitungsbahnen;

Fig. 4 einen Schnitt durch den Kraftsensor gemäß Fig. 3 in einer weiteren Behandlungsstufe;

Fig. 5 einen Schnitt durch den Kraftsensor gemäß den Fig. 3 und 4 in einer weiteren Behandlungsstufe;

Fig. 6 einen Schnitt durch den Kraftsensor gemäß Fig. 3 in einer anderen Behandlungsstufe als gemäß den Fig. 4 und 5;

Fig. 7 einen Schnitt durch den Kraftsensor gemäß Fig. 3 nach einer weiteren erfindungsgemäßen Behandlung;

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Verteilung von Widerständen auf der Oberfläche eines Kraftsensors;

Fig. 9 und 10 schematische Darstellungen weiterer Ver teilungsmöglichkeiten entsprechend Fig. 8 und 10;

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Brückenschal tung mit Temperaturkompensation nach Fig. 14;

Fig. 12 ein Schaltschema der Widerstände nach Fig. 8;

Fig. 13 ein Schaltschema der Widerstände mit überlagertem Widerstandsnetzwerk zum Offset-Abgleich;

Fig. 14 ein Schaltschema gemäß Fig. 12 mit einem über lagerten Widerstandsnetzwerk zum Temperaturabgleich.

In den Fig. 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Kraft sensor insgesamt mit 1 bezeichnet. Hierbei ist, wie insbe sondere aus den Fig. 3 bis 7 hervorgeht, ein metalli sches Substrat 2 oder ein anderes Substratmaterial mit einer Isolierschicht 3 belegt. Auf dieser Isolierschicht 3 sind dann nach speziellen Vorbehandlungen bzw. Vorberei tungsschritten Standard-Dickschicht-Prozesse aufgebaut. Näheres hierzu ist in der DE-PS 21 50 695, DE-OS 34 26 804 und Europäischen Patentanmeldung 01 71 699 beschrieben.

Das Grundsubstrat 2 wird so geformt, daß es für eine spe zielle Meßaufgabe geeignet erscheint. Gemäß Fig. 1 ist es eine Scheibe, während es gemäß Fig. 2 ein mittleres Loch 4 besitzt, welches in Gebrauchslage von einem Schrauben bolzen 5 durchsetzt ist. Im letztgenannten Ausführungs beispiel wird der Kraftsensor 1 a quasi als Unterlegscheibe benutzt. Entsprechend Fig. 1 wird der Kraftsensor 1 von einem Druckelement 6 mit Druck beaufschlagt, wie dies durch die Pfeile 7 angedeutet ist. Dabei liegt der Kraft sensor 1 einem Gegenelement 8 auf, welches entsprechend Pfeilen 9 dem aufgebrachten Druck entgegenwirkt. Die aktive Fläche, in welcher auf den Kraftsensor 1 ein Druck ein wirkt, liegt im Bereich a.

Gemäß Fig. 2 sind Druckelement 6 und Gegenelement 8 über den Schraubenbolzen 5 zusammengespannt, wobei diesem Schrau benbolzen 5 jenseits eines Kopfes 10 eine entsprechende Mutter 11 aufgeschraubt ist.

Wie oben erwähnt, werden entsprechend Fig. 3 auf der Isolierschicht 3 Leiterbahnen 12 und Dickschichtwider stände 13 aufgebraucht. Diese Widerstände 13 sind je nach dem Zweck des entsprechenden Kraftsensors so verteilt auf dem Substrat 2 bzw. der Isolierschicht 3 angeordnet, daß sie zum Teil innerhalb der aktiven Fläche a liegen, zum Teil jedoch auch außerhalb angeordnet sind. Durch die auf die Widerstände 13 aufgebrachten Druckkräfte ändern sich die Widerstandswerte der betroffenen Widerstände proportional zur Kraft.

Ein Problem stellt jedoch die Oberflächengestaltung dieser Dickschichtwiderstände 13 dar, da die Oberfläche des Kraft sensors 1 durch das Aufbringen dieser Dickschichtstrukturen nicht mehr plan ist. Um jedoch die aufgebrachte Druckkraft homogen auf die Dickschichtwiderstände 13 wirken zu lassen, müssen Ober- und Unterfläche des Kraftsensors planparallel sein.

Hierzu ist einmal denkbar, die Dickschichtwiderstände 13 gemäß Fig. 3 separat planparallel zur Unterfläche 14 des Kraftsensors 1 a zu schleifen.

Ferner ist denkbar, daß die verschiedenen tieferen Niveaus neben den Widerständen 13 entsprechend Fig. 4 mit Isolier glas 15 aufgefüllt oder sogar auch die Dickschichtwider stände 13 mit Isolierglas überdruckt werden. Danach erfolgt ein Überschleifen der gesamten Oberfläche, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, so daß eine planparallele Ober fläche 16 erreicht wird.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 6 wird die gesamte Oberfläche mit einem aushärtbaren Material 17, beispielsweise einem Kunststoff, Epoxidharz oder speziellen Lack ausgegossen, so daß von sich aus eine planparallele Oberfläche 16 für die Krafteinleitung entsteht.

In einem weiteren Verfahren, dessen Ergebnis in Fig. 7 dargestellt ist, werden die Leiterbahnen 12 und Dick schichtwiderstände 13 in ein Dickschichtglas 18 einge bettet. Dieses Dickschichtglas 18 ist ein niederschmelzendes Glas (300-600°C), welches die Standarddickschichtstrukturen beim Aufschmelzen nicht mehr beeinflußt. Auf dieses Dick schichtglas 18 wird dann eine metallische Gegenscheibe 19 unter Zwischenschaltung einer Glasschicht 20 aufgeglast.

Eine weitere Verbesserung des Kraftsensors 1 bzw. dessen Wirkungsweise ergibt sich, wenn die Widerstände 13 gleich mäßig über die Fläche des Kraftsensors und insbesondere über die mit Druck beaufschlagte Fläche angeordnet sind. Hierdurch kann die aufgebrachte Druckkraft über eine Addi tion von mehreren Widerständen oder direkt über eine Inte gration exakter bestimmt werden. Verschiedene derartige Verteilungen der Widerstände 13 sind in den Fig. 8 bis 10 gezeigt. Zu Fig. 8 und 10 gehört die Schaltung gemäß Fig. 12. Die Widerstände R ₁ bis R ₄ werden in einer Brückenschaltung so angeordnet, daß in jedem Brückenzweig ein veränderlicher Widerstand gegenphasig zum anderen Brückenzweig wirkt. Die Brückenwiderstände haben bis auf eine Reststreuung dasselbe Temperaturverhalten sowie die selbe Alterungsdrift. Daraus resultiert eine geringe Tempe raturabhängigkeit des Brückensignales sowie eine gute Alterungsstabilität über die Lebensdauer.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 8 und 12 bzw. 10 und 12 werden die Widerstände R ₁ und R ₄, d. h. der innere Teil des Drucksensors 1 von einer Kraft beauf schlagt, so daß diese Widerstände R ₁ und R ₄ ihren Wert ändern. Die Widerstände R ₂ und R ₃ ändern dagegen ihren Wert nicht, da sie auch von keiner Druckkraft beaufschlagt werden.

Die Brückenschaltung hat infolge geringer Streuung der Widerstandswerte der Sensorwiderstände R ₁ bis R ₄ einen Offset-Fehler (Gleichanteil). Dieser Offset-Fehler wird korrigiert durch ein Widerstandsnetzwerk in Dickschicht technik, welches durch Lasertrimmen abgeglichen wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 12 bzw. 10 und 12 geschieht dieser Offset-Abgleich durch Trimmung derjenigen Brückenwiderstände, die außerhalb der aktiven Flächen a liegen. Die Trimmfähigkeit und Stabi lität wird in diesem Fall durch günstige Geometriegebung unterstützt.

Die verbleibende Temperaturabhängigkeit des abgeglichenen Brückensignales wird ebenfalls durch ein Dickschichtnetzwerk mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten kom pensiert.

Eine weitere Möglichkeit des Offset-Abgleiches zeigt Fig. 13, bei dem der Offset-Abgleich über externe Widerstände, wie z.B. durch das Netzwerk der Widerstände R ₅, R ₆ und R ₇ durchgeführt wird. Bei der Wahl eines hohen Ankopplungs widerstandes R ₇ sowie einer günstigen Geometrie ist diese Anordnung stabiler als die Brückenschaltung gemäß Fig. 12.

Ein Temperaturabgleich wird ferner gemäß Fig. 14 über das Netzwerk der Widerstände R ₈, R ₉ und R ₁₀ vorgenommen. Dabei kann die Spannung U _T proportional T entweder in den Brückenpunkten 1 oder 2 angekoppelt werden, je nach Abhängigkeit des Brückensignales U ₁₂. Die Temperaturkompen sation wird durch Trimmung von R ₁₀ durchgeführt. Ferner kann eine temperaturabhängige Spannung U _T durch folgende drei Kombinationen von sensorintegrierten Dickschichtwider ständen erzeugt werden:

-R₈ (Standard), R₉ (PTC),
-R₈ (NTC), R₉ (PTC),
-R₈ (NTC), R₉ (Standard).

Hier bedeutet:

Standard: kleiner Temperaturkoeffizient (<150 ppm/°C)
PTC: positiver Temperaturkoeffizient (ca. 1500 ppm/°C)
NTC: negativer Temperaturkoeffizient (-2000 bis -6000 ppm/°C)

Ergebnis dieser Anordnung ist ein abgeglichenes und tempera turkompensiertes unverstärktes Sensorsignal, welches direkt am Sensorsubstrat abgegriffen werden kann, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Fig. 11 zeigt eine Widerstands anordnung zur Integration der Gesamtkraft mit Kompensations- und Abgleichsnetzwerk entsprechend einer Schaltung nach Fig. 14.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß gemäß Fig. 9 eine Anordnung mit mehreren Widerständen gezeigt ist, wobei die dort vorgenommene Hintereinanderschaltung einer Aufsummierung der Kräfte an den Einzelwiderständen entspricht. Diese Anordnung ist insbesondere wegen weiterer Möglichkeiten zur Aufteilung eines gegebenen Flächenwider standes auf niederohmigere Sensoranordnungen von Bedeutung. In Fig. 10 überdecken dagegen die Widerstände die gesamte wirkende Fläche. Diese Anordnung entspricht der Integration der Kraft über die wirksame Fläche.

Bei vielen Anwendungen ist ein verstärktes und in der Empfindlichkeit geeichtes Kraftsensorsignal erwünscht. Hierzu wird auf dem Sensorsubstrat eine aktive Verstärker schaltung als Löthybrid mit SMD-Bauelementen bzw. in Chip+ Wire-Technik aufgebaut. Über einen Funktionsabgleich wird dann jeder Sensor individuell geeicht und ggfs. eine Tempe raturkompensation des Offsets durchgeführt. Eine geringe Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit wird durch Wahl geeigneter Temperaturkoeffizienten der Widerstände im Verstärkerzweig reduziert oder bei erhöhten Genauig keitsanforderungen individuell für jeden Sensor abgeglichen.

Weiterhin wird für spezielle Anwendungen die Schaltung sowie integrierte Schaltkreise (ICs) für eine Signalver arbeitung mit auf das Sensorsubstrat integriert, so daß beispielsweise Leistungsschalter bei bestimmten Druckwerten als Aktuatoren Steuerungsvorgänge auslösen.

Bei Bedarf wird die Auswertung des Sensorsignales in Form einer digitalen Schaltung vorgenommen. Dabei werden Eich- und Korrekturwerte in digitaler Form gespeichert. Außerdem werden zur Auswertung gewisser Zustände digitale Algorithmen verwendet und der Informationsaustausch mit einem Steuer gerät über eine digitale Schnittstelle (z.B. CAN-Bus) realisiert. Diese digitale Auswerteschaltung wird, sofern es vom räumlichen Aufbau des Sensors bzw. Sensor-Aktuators sinnvoll ist (z.B. bei einem flachen Gehäuse) ebenfalls auf dem Sensorsubstrat integriert.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Bestimmen von Druckkräften, mit denen der Sensor beaufschlagt wird, wobei auf einem bevorzugt metallischen Substrat Dickschicht widerstände über Leitungsbahnen ggfs. auf einer Isolier schicht aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Sensors so behandelt wird, daß sie planparallel zur Unterfläche des Substrates verläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Dickschichtwiderstände abgeschliffen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickschichtwiderstände mit einem Isolierglas über druckt und dieses ggfs. zusammen mit der Oberfläche der Dickschichtwiderstände abgeschliffen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickschichtwiderstände in einer Gießmasse, bevorzugt aus Kunststoff, Epoxidharz, Lack od. dgl. eingebettet und deren Oberfläche planparallel geschliffen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickschichtwiderstände in ein Dickschichtglas eingebettet werden, auf dieses eine metallische Gegen scheibe aufgeglast und diese abgeschliffen wird.

6. Sensor zum Bestimmen von Druckkräften, mit denen der Sensor beaufschlagt wird, wobei auf einem bevorzugt metalli schen Substrat Dickschichtwiderstände über Leitungsbahnen ggfs. auf einer Isolierschicht aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (R ₁, R ₂, R ₃, R ₄) über eine Brückenschaltung miteinander verbunden sind.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Offsetabgleich die Widerstände (R ₁, R ₂, R ₃, R ₄) von einem Widerstandsnetzwerk aus den Widerständen (R ₅, R ₆, R ₇) oder einem anderen geeigneten Netzwerk zum Offset abgleich überlagert sind.

8. Sensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturkompensation die Widerstände (R ₁, R ₂, R ₃, R ₄) von einem Widerstandsnetzwerk (R ₈, R ₉, R ₁₀) bzw. von einem anderen geeigneten Temperaturkompensationsnetzwerk überlagert sind.

9. Sensor nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Sensorsubstrat eine aktive Schaltung in Form eines Dickschichthybrids integriert ist, welche ein geeich tes und temperaturkompensiertes Kraftsignal zur Verfügung stellt.